Projekt GAČR s názvem „Příprava a charakterizace hybridních plazmonických nanostruktur se silnou chirální odezvou“ oceněn hodnocením ‚Vynikající‘

Příprava a charakterizace hybridních plazmonických nanostruktur se silnou chirální odezvou

Chemik Jan Storch z Ústavu chemických procesů Akademie věd České republiky se zaměřuje na výzkum hybridních organicko-anorganických materiálů. V rámci projektu podpořeného Grantovou agenturou ČR se zabýval vývojem plazmonických nanostruktur s výraznou chirální odezvou. Výzkum přináší nové možnosti pro enantioselektivní detekci a vývoj pokročilých fotonických a optoelektronických prvků. Týmy Jana Storcha a Oleksije Lyutakova z VŠCHT společně publikovaly výsledky v prestižních vědeckých časopisech, čímž významně přispěly k rozvoji tohoto oboru.

Výzkum v oblasti chemie a materiálových věd se v posledních letech soustředí na využití plazmonických nanostruktur, které mají schopnost generovat plazmony, tedy kolektivní oscilace elektronů při interakci se světlem. Zatímco klasická plasmonika se zaměřuje na interakce nezávislé na chirálním charakteru materiálů, chirální plasmonika zkoumá, jak chirální molekuly ovlivňují optické vlastnosti plazmonických struktur.

Chirální plazmonika: Nové přístupy k enantioselektivní detekci

Jedním z hlavních cílů projektu bylo navrhnout a připravit hybridní plazmonické nanostruktury (tj. složené z organických i anorganických materiálů) s výraznými chirálními vlastnostmi. Chiralita molekuly  je absence roviny, osy či středu symetrie a je charakteristickou vlastností určitých molekul, které mohou existovat ve dvou zrcadlových formách, tzv. enantiomerech. Na obrázku jsou zobrazeny molekuly [6]helicenu a jejich zrcadlové formy, přičemž je patrné, že tyto dvě formy nelze vzájemně překrýt, podobně jako levá a pravá ruka.

V tomto projektu se výzkumníci zaměřili na interakce mezi chirálními organickými molekulami, konkrétně heliceny, a plazmony v kovových a 2D-anorganických nanostrukturách. Tyto interakce vedly k unikátním optickým efektům, které umožňují detekci velmi nízkých koncentrací chirálních molekul. Výzkum může mít zásadní význam pro různé aplikace, například v chemii při vývoji citlivých senzorů pro identifikaci chirálních látek, v biologii a medicíně pro diagnostiku a sledování léčiv, kde je přesná detekce chirality kritická, a také v environmentálních vědách při monitorování znečišťujících látek v životním prostředí.

Vědeckým týmům se podařilo syntetizovat nové deriváty helicenů, které sloužily jako chirální modifikátory plazmonických nanostruktur. Heliceny, díky svým unikátním optoelektronickým vlastnostem a výrazné optické aktivitě, představují ideální komponenty pro kombinaci s plazmonickými materiály. Hybridní struktury vytvořené touto kombinací byly testovány na jejich schopnost interagovat s chirálními molekulami pomocí povrchově zesílené Ramanovy spektroskopie (SERS). Výsledky ukázaly, že tyto struktury jsou schopny detekovat chirální molekuly s vysokou citlivostí a specificitou.

Plazmonicky aktivní 2D materiály: Potenciál pro nové aplikace

Další klíčovou oblastí výzkumu byla příprava plazmonicky aktivních 2D materiálů, konkrétně MXenů, které byly funkcionovány pomocí helicenových derivátů. MXeny, jako nová skupina 2D materiálů, sestávají z atomárně tenkých vrstev karbidů a vykazují výjimečné mechanické a optické vlastnosti. V tomto projektu byly úspěšně připraveny MXenové vločky (Ti3C2Tx), které byly modifikovány heliceny za účelem dosažení chirální optické odezvy.

Tato nová třída materiálů byla testována na polarizačně citlivou přeměnu světla na teplo, přičemž tvorba tepla byla řízena cirkulárně polarizovaným světlem (pravotočivým nebo levotočivým). Rovněž jsme prokázali jejich potenciál v polarizačně citlivé fotokatalýze za asistence plazmonů. Tyto výsledky představují první demonstraci tohoto typu plazmonicky aktivního 2D materiálu s chirální odezvou, což otevírá nové možnosti v oblastech senzoriky, optoelektroniky a nanofotoniky.

Spolupráce a budoucí směřování

Projekt přinesl odezvu ve špičkových vědeckých časopisech. Publikace posouvají hranice našeho poznání v oblasti chirálních plazmonických nanostruktur, ale také demonstrují vysokou úroveň mezinárodní spolupráce a vědecké excelence. Spolupráce mezi Ústavem chemických procesů AV ČR a Ústavem inženýrství pevných látek (Fakulta chemické technologie VŠCHT Praha) bude nadále pokračovat, s cílem rozvíjet získané poznatky a transformovat je do prakticky využitelných technologií.

Publikace, které vznikly v souvislosti s řešením projektu:

1. Guselnikova O., Elashnikov R., Švorčík V., Záruba K., Jakubec M., Žádný J., Storch J., Lyutakov O.: Charge-transfer complexation: A highly effective way towards chiral nanoparticles endowed by intrinsically chiral helicene and enantioselective SERS detection. Sens. Actuators B: Chem. 2023, 394, 134332. DOI: 10.1016/j.snb.2023.134332.
2. Olshtrem A., Panov I., Chertopalov S., Záruba K., Vokatá B., Sajdl P., Lančok J., Storch J., Církva V., Švorčík V., Kartau M., Karimullah A.S., Váňa J., Lyutakov O.: Chiral Plasmonic Response of 2D Ti3C2Tx Flakes: Realization and Applications. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212786. DOI: 10.1002/adfm.202212786.
3. Beránek T., Kos M., Váňa L., Císařová I., Sýkora J., Storch J., Církva V., Jakubec M.: Modification of optical properties in helicenes via construction of phosphine oxide-based push-pull systems. Dyes Pigm. 2023, 210, 111039. DOI: 10.1016/j.dyepig.2022.111039.
4. Beránek T., Jakubec M., Sýkora J., Císařová I., Žádný J., Storch J.: Synthesis of 2-Phospha[7]helicene, a Helicene with a Terminal Phosphinine Ring. Org. Lett. 2022, 24, 4756. DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01723.
5. Váňa L., Jakubec M., Sýkora J., Císařová I., Žádný J., Storch J., Církva V.: Synthesis of Aza[n]helicenes (n = 4–7) via Photocyclodehydrochlorination of 1-Chloro-N-aryl-2-naphthamides. J. Org. Chem. 2022, 87, 7150. DOI: 10.1021/acs.joc.2c00375.
6. Miliutina E., Žádný J., Guselnikova O., Storch J., Walaská H., Kushnarenko A., Burtsev V., Švorčík V., Liutakov O.: Chiroplasmon-active optical fiber probe for environment chirality estimation. Sens. Actuators B: Chem. 2021, 343, 130122. DOI: 10.1016/j.snb.2021.130122.
7. Kos M., Rodriques R., Storch J., Sýkora J., Caytan E., Cordier M., Císařová I., Vanthuyne N., Williams J.A.G., Žádný J., Církva V., Crassous J.: Enantioenriched Ruthenium-Tris-Bipyridine Complexes Bearing One Helical Bipyridine Ligand: Access to Fused Multihelicenic Systems and Chiroptical Redox Switches. Inorg. Chem. 2021, 60, 11838. DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c01379.
8. Vacek J., Žádný J., Storch J., Hrbáč J.: Chiral Electrochemistry: Anodic Deposition of Enantiopure Helical Molecules. ChemPlusChem 2020, 85, 1954. DOI: 10.1002/cplu.202000389.
9. Jakubec M., Storch J.: Recent advances in functionalizations of helicene backbone. J. Org. Chem. 2020, 85, 13415. DOI: 10.1021/acs.joc.0c01837.
10. Jakubec M., Hansen-Troøyen S., Císařová I., Sýkora J., Storch J.: Photochemical Oxidation Specific to Distorted Aromatic Amines Providing ortho-Diketones. Org. Lett. 2020, 22, 3905. DOI: 10.1021/acs.orglett.0c01190.